แสงอาทิตย์ใช้ผลิตไฟฟ้าได้อย่างไร?

: ปรากฏการณ์ โฟโตวอลเทอิก (Photovoltaic Effect)

ปรากฏการณ์ โฟโตวอลเทอิก (Photovoltaic Effect) คือ ปรากฏการณ์ที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นแสงตกกระทบลงบนสารกึ่งตัวนำ ที่ดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นเดียวกันกระตุ้นให้อิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์ (valence band) มีพลังงานสูงขึ้น และหลุดจากโครงสร้างอะตอมข้ามช่องว่างระหว่างแถบพลังงานขึ้นไปอยู่ในแถบนำไฟฟ้า (conduction band) อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในแถบนำไฟฟ้าทำให้สารกึ่งตัวนำมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ ปรากฏการณ์นี้ค้นพบโดยอองตวน เซซาร์เบคเกอเรล (Antoine César Becquerel) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสในปี ค.ศ.1839

ต่อมาในปี ค.ศ.1954 แดริลชาแป็ง (Daryl Chapin) แคลวินฟุลเลอร์ (Calvin Fuller) และเจอร์ราลด์ เพียร์สัน (Gerald Pearson) นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการเบลล์ สหรัฐอเมริกาประสบผลสำเร็จในการนำปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิกมาประยุกต์ใช้ประดิษฐ์เซลล์โฟโตวอลเทอิก ด้วยสารซิลิคอน (Si) เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

การทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ประกอบขึ้นจากสารกึ่งตัวนำ 2 ชนิด คือ P และ N สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้
โดยอาศัยปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก

โฟโตวอลเทอิกส์ (Photovoltaics (PV))

เซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาบ้าน (Solar Rooftop)
(ที่มา : solarpanelspower.com)

เครื่องบินพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Impulse)
(ที่มา : www.solarimpulse.com)

เซลล์แสงอาทิตย์เป็นส่วนประกอบของอาคาร (Building-integrated photovoltaics:BIPV)
(ที่มา : www.thesolarpark.co.uk)

โฟโตวอลเทอิกส์เป็นวิธีผลิตกระแสไฟฟ้าโดยตรงจากพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยการกระตุ้นสารกึ่งตัวนำ ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นแสง โดยอาศัยปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก เทคโนโลยีโฟโตวอลเทอิกส์ พลังแสงอาทิตย์ (solar photovoltaics) เป็นทางเลือกหนึ่งที่มีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าซึ่งจะทดแทนการผลิตกระแสไฟฟ้าจากถ่านหิน ปิโตรเลียม และแก๊สธรรมชาติ เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่สะอาด เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และใช้ได้ไม่มีวันหมด

เซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Cell), เซลล์โฟโตวอลเทอิก (Photovoltaic (PV) Cell)

เซลล์แสงอาทิตย์และเซลล์โฟโตวอลเทอิกเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยอาศัยปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก มักเรียกแบบย่อว่า “แผงพี-วีเซลล์” หรือ “solar PV cell” ที่เซลล์แสงอาทิตย์ใช้แสงจากแหล่งอื่นนอกเหนือจากแสงอาทิตย์ เช่น หลอดไฟหรือแสงเทียมเรียกว่าเซลล์โฟโตวอลเทอิก เซลล์แสงอาทิตย์มีหลายชนิด ชนิดที่ใช้งานอยู่มากที่สุดในปัจจุบัน คือเซลล์แสงอาทิตย์ที่ผลิตโดยใช้เทคโนโลยีซิลิคอน (silicon-based solar cell) นอกจากนั้นยังมีเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบาง (thin film solar cell) เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์ (organic solar cell) และเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (dye-sensitized solar cell)

แผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ผลิตโดยเทคโนโลยีซิลิกอน
(ที่มา : http://eeeug.com/industries)

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบาง (thin film solar cell)
(ที่มา : http://www.mysolargenerator.info)

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์ (organic solar cell)
(ที่มา : http://www.exposolar.org)

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (dye-sensitized solar cell)
(ที่มา : assets.inhabitat.com)

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ (Solar Thermal Power Plant)

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์คือโรงไฟฟ้าที่นำพลังงานความร้อนที่ได้จากแสงอาทิตย์ไปเปลี่ยนเป็นพลังงานกลใช้ขับกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งทดแทนการผลิตไฟฟ้าจากการเผาไหม้ถ่านหิน ปิโตรเลียม หรือแก๊สธรรมชาติ ประกอบด้วยตัวเก็บรังสีอาทิตย์ทำหน้าที่ดูดกลืน และรวมแสงอาทิตย์ (concentrating solar power (CSP)) ไปที่จุดรวมแสงเพื่อถ่ายเทความร้อนให้ตัวกลาง (medium) จนมีอุณหภูมิสูงมาก โดยตัวกลางจะหมุนเวียนผ่านระบบนำความร้อน เพื่อถ่ายเทความร้อนสูงนั้นไปยังตัวกลางอื่น เช่น ไอนํ้าหรือแก๊ส เพื่อขับกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อไป มีกำลังการผลิตไฟฟ้าตั้งแต่ 10 กิโลวัตต์ (kW) สำหรับใช้ในชุมชนขนาดเล็กจนถึง 100 เมกะวัตต์ (MW) เพื่อเชื่อมต่อเข้าระบบสายส่ง (grid-connected application) แนวคิดสำหรับโรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ในปัจจุบันประกอบด้วยระบบรางพาราโบลิก ระบบหอคอยรวมแสง  ระบบจานรับแสง/เครื่องจักรกลสเตอร์ลิง ระบบบ่อรับแสง และปล่องลมพลังแสงอาทิตย์

กระบวนการผลิตกระแสไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนจากแสงอาทิตย์ร่วมกับแหล่งพลังงานเสริม

Solar Thermal Energy: An eSolar project in California.
ที่มา : http://www.esolar.com/

Bibliography

กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). พลังงานแสงอาทิตย์. In สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp. 26-27,29,39). กรุงเทพ, ประเทศไทย.